基于动态客流的城市轨道交通列车时刻表与车底运用一体化优化模型和算法研究

摘要

随着城市交通拥堵及环境问题的不断恶化，城市轨道交通独有的安全、高效、节能、环保的特点使其成为许多大城市大力提倡及兴建的绿色交通方式。在城市轨道交通运输系统中，列车时刻表和车底运用计划是运输组织的基础与核心。
　　论文对城市轨道交通系统中客流、时刻表和车底运用等主要要素之间的关系进行分析，建立了基于动态客流的列车时刻表和车底运用一体化优化模型，并设计快速求解算法对该模型进行求解。最后以北京市城市轨道交通网络中较为典型的2号线、5号线和10号线的工作日、周末日和大客流等场景为背景，分别进行实例研究。论文的主要工作和结论如下:
　　(1)分析了城市轨道交通系统中客流、时刻表和车底运用等主要要素的特点，并讨论了它们之间的关系，确立了基于动态客流的城市轨道交通列车时刻表和车底运用一体化优化方法。
　　(2)城市轨道交通线路拓扑结构包括环形、线形等，车辆段的分布和数量也不尽相同，为了设计通用的列车时刻表和车底运用一体化优化模型，提出了城市轨道交通通用车流模型。该模型能够应用在各种类型的城市轨道交通线路中，具有极广泛的适用性。
　　(3)建立了列车时刻表和车底运用一体化双层规划模型:上层模型是时刻表优化，最小化乘客的等待时间和列车的开行成本;下层模型是车底运用计划编制，最小化不可行运行线的数量。设计了基于模拟退火算法的快速求解算法，其评价函数包含乘客的等待时间，列车的开行成本和不可行运行线的惩罚值。
　　(4)基于真实数据，对典型线路（北京市城市轨道交通2号线、5号线和10号线），不同场景（工作日、周末日和大客流）的算例进行计算、分析和评价，并与多种商业软件的计算结果、计算时间进行对比。算例的计算结果和与商业软件的对比结果表明论文提出的模型和算法具有较好的通用性和应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 城市轨道交通乘客服务、开行方案研究现状

1．2．2 城市轨道交通列车运行图研究现状

1．2．3 城市轨道交通车底运用研究现状

1．2．4 城市轨道交通一体化优化研究现状

1．2．5 国内外现状总结

1．3 论文主要研究内容及框架结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

2 基于动态客流的城市轨道交通运输组织优化方法

2．1 城市轨道交通列车运行图特点

2．2 城市轨道交通系统主要要素分析

2．2．1 城市轨道交通系统客流特征分析

2．2．2 城市轨道交通系统车流特征分析

2．2．3 城市轨道交通系统车底运用特征分析

2．3 要素之间的关系分析

2．4 城市轨道交通运输组织优化方法框架结构

2．5 本章小结

3 时刻表与车底运用一体化双层规划模型

3．1 符号声明

3．2 城市轨道交通通用车流模型

3．3 目标函数及约束条件

3．3．1 运行图优化模型设计

3．3．2 车底运用计划模型设计

3．3．3 模型参数计算

3．4 模型验证

3．4．1 算例参数设计及说明

3．4．2 GAMS计算结果

3．5 本章小结

4 算法设计与程序实现

4．1 大规模整数规划问题求解算法介绍

4．1．1 精确算法求解运行图问题分析

4．1．2 启发式算法求解运行图问题分析

4．2 城市轨道交通列车时刻表和车底运用一体化模型算法选择

4．3 城市轨道交通列车时刻表和车底运用一体化模型算法设计

4．3．1 算法设定及基本框架

4．3．2 主体算法设计

4．3．3 车底运用计划编制算法设计

4．4 程序实现框架

4．5 算法验证

4．6 本章小结

5 算例分析与评价

5．1 北京市城市轨道交通线网介绍

5．2 算法参数设置

5．3 算例结果及分析：工作日、周末日

5．3．1 北京市城市轨道交通2号线算例结果及分析

5．3．2 北京市城市轨道交通10号线算例结果及分析

5．3．3 北京市城市轨道交通5号线算例结果及分析

5．4 算例结果及分析：大客流

5．5 算法评价

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 论文的主要工作和创新点

6．2 研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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